2010年03月光通信核心国际期刊速览

3/17/2010,现对本月光学领域最顶级的几个国际期刊中和光通信相关的论文做一个概要总结，以帮助各位朋友了解光通信领域国际最前沿的研发动向。
《Optics Letters》Vol. 25. No.3-5：
    随着微波光子学（RoF）的发展，近来将有线天线电视（CATV）和微波射频信号同时加载在光纤中一起传输，受到越来越多研究者的关注。要想实现这一思路，目前遇到的主要问题是系统在受载波合成二次及三次拍差比严重影响后，传输载噪比大幅下降，导致误码率难以满足实用需求。为此台北科技大学做了实验，设计了改进系统，保证了CATV/RoF在单模光纤中以10-9误码率的正常传输。其建议的系统主要有两个改进，首先在其40km的单模光纤传输上，额外使用了一段1.43km的光子晶体光纤（PCF），该光纤具有负色散，起到色散补偿的作用；此外，系统里还使用了一个可调光带通滤波器（TOBPF），可对CATV信号实现双边带对单边带的信号转换，同时可对RoF信号选通上边带。作者建议的系统相比常规CATV/RoF混合系统，探测灵敏度提高了7.5dB左右。
    澳大利亚研究者报到了如何在聚合物光纤中写入光纤光栅的研究方法。作者使用355nm波长激光器作为写入光源，能分别在多模和单模聚合物光纤中写入光栅，其原理是利用塑料光纤材料的光折变效应；香港城市大学的研究者使用光纤环形共振器制作了波长选择滤波器，可方便用于波分复用（WDM）信道的选择和调节。光纤环形共振器结构很简单，容易实现，但因为基于共振原理，所以共振谱宽非常窄，不太适合非密集波分复用。作者这里做了改进，在共振器前后各使用了一段长周期光纤光栅（LPG），因此共振环内工作模式不再是导模，而是包层模，这样可以使得共振频带间隔达到GHz量级，适合一般的WDM应用。
《Optics Express》Vol.18, No.5-6:
    新加坡研究者就FTTH建议了自己的PON结构，并设计制作了单片集成的光收发模块。首先其PON架构和常规结构的差异为，下行1490nm信号和上行1310nm信号使用独立的两根光纤。在ONU里不含有激光器，下行1490nm信号光和连续的1310nm光经一个粗波分复用器耦合在同一根光纤中传输，在ONU，1490nm信号被解调，同时1310nm连续光被调制信号，并传入上行光纤中。作者建议的架构优势是ONU不再使用光源，降低了成本，缺点是需要两路独立光纤。作者的另一项工作是使用硅光子集成，将调制器、WDM器，探测器和相关电子元件单片集成，制作了适合于其所建议PON应用的集成光收发模块。
    光正交频分复用（OFDM）是近来广受关注的信息复用技术，其优势是对色散、PMD公差高，降低了高速调制下，对信号补偿的系统要求。在高速率，高光谱效率的OFDM系统里，同相通道与正交通道的失衡（I/Q失衡）是最主要的信号性能损伤因素。对此日本研究者使用电子补偿的方法补偿了I/Q失衡，补偿在发射和接收端分别进行，发射端基于正交测试信号法，接收端使用多尺度图像迭代算法，使用这样的混合法补偿，作者实验证明可将强度公差提高± 10%，将相位公差提高± 0.085rad，由此带来的额外功耗大约1dB；加拿大研究者也是对高速长距离OFDM系统，立足数字信号处理技术做了信号补偿，其特色是补偿为自适应式的，通过发射微波导频信号，能够对实际传输光信号的码间隔实时判断，实现动态均衡。
    光纤模式在数学上意味着麦克斯韦方程组在光纤截面边界条件下的本征解，具有独立正交性。因此以不同模式传输的光虽然会发生干涉等现象，但传输上彼此独立正交，不会明显干扰。有许多研究欲将模式作为一种变量，就像波长、时间、频率、和偏振一样，用于实现传输信号的复用。并且结合其他复用方式，如WDM的基础上，进一步扩展信息复用容量。日本北海道大学的研究者设计了用于模式复用的四路复用/解复用器，其特点是全光纤设计，避免了光纤同平面光波回路（PLC）器件耦合的不稳定性。设计采用多芯光纤结构，中心直径上紧密排列四根光纤，为输入通道，边缘沿对角方向放四根各不相同的光纤，模式复用利用的就是不同光纤间的模式匹配特性，即当光纤导模与两不同光纤间的耦合模匹配时，一个光纤中的本征模耦合进入另一根光纤；尽管光纤中不同模式具有独立正交性，但利用一些光学原理还是可以让模式间相互转换的。如果能实现模式间的相互转换，就可以有效对信号功率进行管理，并可容易实现色散补偿等功能。德国研究者利用纳秒脉冲激光器在少模光纤中，利用两个导模的拍频产生的克尔效应，写入了长周期光纤光栅，该光栅能让反向传输的光由LP01模转换为LP11模；此外，丹麦研究者在两多模光纤间连接61端口的耦合器，耦合器由标准单模光纤制成，这样的结构能将将多模输入光转换为单模，且损耗仅为0.76dB。特别有益的结果是，其设计的结构可以将1200nm-1750nm的宽带光耦合进入器件，并保证输出光谱是平的，因此该结构也可以将宽带光均匀耦合进入短距离工作的单模光纤。
    WDM要走向大规模商用，降低成本是关键，而这当中降低光源成本和数量又是关键。因此“无色”光源，或中央化光源受到广泛关注。也就是说ONU不再用激光器，而将上行波长用的激光器放在OLT。西班牙的研究者建议用偏振复用来实现中央化光源策略。即在发射端，先将下行波长调制信号后，上行波长为连续非调制光，两者经偏振复用后一起被发送，在ONU，先经偏振解复用，信号光被解调，而空白光用于上行信号再调制后被发射回OLT，经环路器后在OLT被解调。
    此外，爱尔兰的研究者用两个有不同延时的迈克尔逊干涉仪，结合法拉第旋光器，制作了用于光信噪比测量的子系统，能测定5-30dB范围的信噪比，精度好于0.5dB；瑞典研究者就相干光接收下，由于激光器相位噪声引起的误码率水平提供了解析评价算法；东京大学的研究者以一个200km，20Gbit/s的QPSK格式单模光纤传输系统为测试平台，证明在接收端结合使用基于最大似然估计算法的数值信号处理技术，和有限脉冲响应滤波器，基本能够完全消除传输过程的线性和非线性信号损伤。
《Journal of Lightwave Technology》Vol.28, No.5-6:
    香港城市大学的研究者设计了用于光纤网和无线网混合使用的网络结构（FiWi），并提出了适用于网络的动态带宽分配协议。光通信的最大优势是带宽大，微波通信的最大优势是灵活，FiWi的目的就是要整合两者优势。其建议的网络方案特色是使用了信息的WDM与时分复用（TDM）混合复用模式，能实现ONU间的信息互联，即在ONU间形成网状拓扑结构。无线通信用户要传递的信息先加载在最近的ONU上，通过光网络传输，到达离目标最近的ONU上，再传到目标无线客户。在硬件上，作者专门设计了一个阵列波导光栅（AWG）来实现各ONU间的互联。由于无线服务带宽有限，因此在系统中几个无线目标共用一个波长，为此作者提出了动态的带宽分配方案，并在文中详细描述了其算法。
    这两期中，有许多文章是关于光分组交换（OPS）技术的，OPS能在不需要光电转换下，实现数据包的交换，因此交换节点对数据格式是完全透明的，网络可伸缩性更强。以下面两篇意大利研究者的论文为例：第一篇使用商用半导体光放大器（SOA）构成波长转换器。在使用波长转换的光网络里，分别比较了在同步和异步两种工作模式下，OPS网络的功耗大小。作者证明同步OPS比异步OPS功耗可能高40%左右，但作者也指出，两种模式的光交换都比现商用的路由器有低得多的功耗；第二篇则对一个2×2，每端口最高160Gb/s的OPS平台做了实验测试，其工作系统也使用了SOA做标签提取和冲突检测。作者提到，尽管使用电子元件也能实现类似的交换和冲突控制，但现在的全光处理能有效降低等待时间，提高系统性能，且使用的SOA能够与其他半导体元件混合集成，以缩小系统空间，并减小功耗。当数据平均速率50Gb/s时，作者的测试平台显示了无误码的交换，该研究目前是有冲突检测下，OPS实测系统中最高速度的结果了。
西班牙研究者专门为强度调制，且采用直接检测的光传输系统设计了全光OFDM方案，其特色在于使用了快速Hartley变换算法，来实现信号的调制和解调。作者提到，利用离散Hartley变换（DHT）的特性，可以降低传统发射系统的复杂度，此外作者将非均衡限幅（AC）技术应用于其建议的DHT-OFDM系统中，可以在不需要直流偏置下实现数据发射，提高了系统功率效率，且消除了限幅噪声，对输入信号来说，也不再有厄米对称的要求。因此，借助于傅里叶处理，作者建议系统相比常规可将输入字符加倍。
《Photonics Technology Letters》Vol.22, No.5-6:
    亚利桑那大学的研究者实现了单波长通道240Gb/s的超高速调制，其实现方式是混合使用了包括强度、相位、偏振和副载波在内的各种调制方式。其基本单元采用强度/相位/偏振的混合调制（HAPP）模块，在利用几个彼此正交的副载波复用在一起，作者显示的三个实例，使用8- HAPP，16- HAPP、20- HAPP的形式，分别获得了单通道调制速率为120、200和240Gb/s的信号。此外，作者的调制系统一个很重要的特色是使用了结构化的低密度校验码，该码具有很强的纠错功能，能获得较高编码增益和频谱效率，使得240Gb/s的高速单波长调制信号仍能维持10-6左右的误码率。
    台湾交通大学的研究者设计了一个10Gb/s的全对称、高分束比（64路）的无源光网络（PON）。其特色是上行发射机使用了波长1550nm，单片集成的阵列化垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列光源，且这些VCSEL采用直接调制方式，不需制冷。上行信号使用4路10Gb/s调制速率的NRZ信号经WDM系统复用。对上行信号的接收，是采用四个10Gb/s的探测器分别解调的，他们通过媒体访问控制（MAC）单元统一调控。
    其他研究还有：意大利研究者对一个全部容量222Gb/s的WDM系统做了研究，系统采用16-QAM调制格式。作者证明，在不使用线内色散补偿，而完全依赖电子色散补偿的情况下，使用标准单模光纤，最长可获得的传输距离约500-800km；加拿大研究者制作了一个单片集成的脉冲重复率复用器，通过将Mach–Zehnder干涉仪六阶级联，可将10GHz的输入脉冲，转换为20GHz或40GHz的输出脉冲；澳大利亚的研究者对相干光OFDM系统，在经过波长解复用器之前，建议使用强度相关的相位调制技术，来消除交叉相位调制（XPM），这一非线性因素的影响。其方法是使用一个低带宽的光敏二极管，来估计待进入接收器的波分复用光总功率，并根据相应测量值来决定对全部通道做相位调制的强度。并且作者提到，建议方法如何能和自相位调制的预补偿/后补偿相结合使用，就能大幅改进OFDM系统的光学色散管理；丹麦研究者使用数字相干检测，实现了2.5Gb/s，基于相位调制用于RoF的信号，这是目前RoF方面研究中，实验获得的最高调制速度之一。并且作者基于WDM，实验显示了3路，单通道2.5Gb/s信号的复用传输，其RoF系统工作距离为79km。作者建议系统的一个特色是在数字解调时使用了K-均值算法，该算法属于聚类算法，算不上好的全局算法，但速度非常快，作者用这些技术实现了RoF系统，误码率维持在10-4水平；面向光纤传输的脉冲超宽带技术，丹麦的研究者就电子和光子脉冲发生两种方法实验做了比较，总的来说，使用光子脉冲发生方式，似乎获得了更好的综合性能。
        作者：宋军